Spaß mit FPGAs: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 25. September 2017, 15:03 Uhr

Dieses Projekt befindet sich in der Evaluationsphase. Es folgt die Beschaffungsphase. Dann folgt die Spaß-mit-FPGAs-Phase.

Spaß mit FPGAs Release status: beta [box doku]
Description	Wissen über FPGAs und derer Programmierung sammeln
Author(s)	phip
Platform	FPGA, PC/Laptop

Ein altes Spartan-3 FPGA-Entwicklerboard

Das Projekt Spaß mit FPGAs ist eine konsequente Fortführung der aus der Spielerei mit Arduinos und Raspberry Pis gesammelten Erfahrungen.

Eigenstudium

phip hilft bei Fragen und leiht Bücher zum Lernen aus.

Schaltungslogik

Grundlende Begriffe wie Gatter, Flipflop, XOR, uvm … sollten keine Fremdworte sein

Hardwarebeschreibungssprache

Um digitale Schaltungen in einem FPGA realisieren zu können, sind Kenntnisse einer Hardwarebeschreibungssprache (Hardware Description Language, HDL) notwendig, mit der die Logikgatter entworfen werden. Verilog und VHDL haben sich als HDL etabliert.

VHDL

VHDL ist in Europa sehr beliebt. Zur Übersicht der Sprache empfehlen sich folgende Quellen:

• Andreas Mäder – VHDL Kompakt und das Hamburg VHDL Archiv
• VHDL-Tutorium auf Wikibooks
• Pong P. Chu – FPGA Prototyping by VHDL Examples: Xilinx Spartan-3 Version (2008), ISBN 978-0-470-18531-5
• Peter J. Ashenden – The Designer’s Guide to VHDL, Third Edition (2008), ISBN 978-0-12-088785-9

Hardware

Für dieses Projekt muss mindestens ein FPGA beschaffen werden. Artix-7 bietet in Verbindung mit Vivado verglichen mit anderen verfügbaren FPGAs das Meiste für $Preis. Weitere FPGAs folgen bei Gelegenheit. Der Vollständigkeit halber gibt es noch einige Spartan-FPGA, die auf der Suche über den Weg liefen. Für diese ist die veraltete ISE zum Erstellen der Netzlisten nötig. ISE macht aber keinen Spaß mehr, wenn man ein mal mit Vivado gearbeitet hat. Der einzige Vorteil der alten und kleinen FPGAs ist, dass man bei der Erstellung der Netzliste für diese nicht so viel Zeit/RAM benötigt wie für größere FPGAs.

Hier Auflistung der bisher gefundenen, günstigen Angebote. Module zum Stecken/Löten benötigen einen eigenen JTAG-Programmierer (ca. 50-300 €).

Xilinx

1. ↑ ^{1,0 1,1} JTAG Benötigt (ca. 40-300 € oder Einzelteileprojekt)
2. ↑ auf dem Board sind noch zusätzlich andere Dinge über andere IOs abrufbar und ansprechbar
3. ↑ ^{3,0 3,1 3,2} Multiplizierer
4. ↑ insgesamt 22, jedoch teilen sich die IOs die FPGA-Pins mit PS/2 … und den Widerständen des VGAs
5. ↑ ^{5,0 5,1} USB-JTAG im Breadboardmodul enthalten
6. ↑ ^{6,0 6,1} Analog I/O
7. ↑ ^{7,0 7,1} Preis gilt nur für Beschaffung als Student/Akademiker

Die Entwicklerboards haben noch RAM und andere Faxen aufgelötet. Man hat die Qual der Wahl zwischen Chip (alles selber machen [lassen]), Modul (nur noch Pins verbinden) und Entwicklerboard (alles Fertig vorgekaut), je nach Anwendung (Lernen/Entwickeln/Projektimplementierung)

Obwohl die Artix-7 FPGAs von Xilinx die „kleinsten“ FPGAs sind, haben sie für diesen Preis schon ganz viel zu bieten. Artix-7 FPGAs haben einiges direkt im Chip implementiert, was die Schaltungszeit erheblich erhöht und logische Zellen für andere Zwecke einspart, z. B. PCIe v2.0 mit 4 Lanes = 4×5 Gb/s (damit kann man PCIe-Karten an den FPGA anbinden oder den FPGA in einen PCIe-Slot stecken), Ver-/Entschlüsselung mit 256-bit AES; an den Pins können 211 Gb/s (Duplex) übertragen werden, die im FPGA enthaltenen Transceiver können 6.6 Gb/s übertragen, es ist sogar ein 12-bit 1 MSP/s (500 kHz) ADC enthalten (reicht zum Empfang eines FM Radiosenders mittels SDR). Kintex und Virtex können noch mehr, aber das ist eine andere Welt.

Xilinx Artix Pin-I/O

Beim Kauf von FPGAs ist drauf zu achten, ob das FPGA die Pins für den gewünschten Einsatz enthält. Die begehrten GTP-Transciever mit 6.6 Gb/s gibt es nur bei bestimmten Packungen. Hier eine „kleine“ Übersicht über die einzelnen Packungsgrößen und den Preis des kleinsten FPGAs und den Mengenrabatt bei Abnahme mehrerer. Beim Kauf muss noch berücksichtigt werden, dass Spannungswandler (3,3; 1,8; 1,0 V), Oszillatoren und andere Bauteile benötigt werden.

Hier gibt es mehr fiese Feinheiten und eine Übersicht über Kintex und Virtex. FPGAs, die sich kaum ein Normalsterblicher leisten kann (z. B. XCVU440-3FLGA2892E für 82.506,70 €).

Altera

…

Microsemi

Ein Video stellt eindrucksvoll einen günstigen Einstieg in FPGAs abseits des Massenmarkts: mit IGLOO nano FPGAs von Microsemi lassen sich kleine Projekte verwirklichen und der Umgang mit FPGAs erlernen; ab 6 € geht es los.

Wie diese Winzlinge angesteuert werden wird hier nach dem Studium der Datenblätter bei Gelegenheit beschrieben stehen. Link

Mittlerweile gibt es schon IGLOO2 … ab 18 € …

Werkzeuge

Als Freie Software zum Lernen von VHDL und als Testumgebung der geschriebenen Schaltungen bietet sich GHDL in Verbindung mit GTK-Wave an.

Für die Entwicklung auf einem FPGA sind die Tools der Hersteller leider immer noch die erste Wahl.

Xilinx FPGAs

Bei Xilinx gibt es eine kostenlose WebPack-Lixenz zu haben. Einfach bei Xilinx registrieren und sich bei seiner Arbeit dank der nicht abschaltbaren WebTalk (Technologie) von Xilinx beschatten lassen.

ISE

ISE ist die alte (Oktober 2013) FPGA Design Suite. Sie wird für FPGA-Serien <7 benötigt. Es lassen sich nur Netzlisten für einige auserwählte FPGAs erstellen. Für andere FPGAs muss eine Lizenz erworben werden. Also aufgepasst beim FPGA-Kauf!

ISE wird nicht weiter entwickelt. Eine Installation auf modernen Linux-Systemen ist mit Einschränkungen bei der Konfiguration und Interaktion mit dem FPGA verbunden, sollte diese überhaupt klappen … Die erstellte Netzliste muss auf einem anderen Weg in den FPGA gelangen (wird bei Gelegenheit beschrieben).

Installation

hier herunterladen. Auf dem Datending bereits heruntergeladen: /mnt/datending/software/Xilinx/ise/Xilinx_ISE_DS_14.7_1015_1/xsetup ausführen (Für Windows gibt es dort auch eine EXE). Die Installation dauert eine Weile, mindestens 17 GiB freien Festplattenspeicher werden benötigt.

Ausführen

 . /opt/Xilinx/14.7/ISE_DS/settings64.sh
 export XILINXD_LICENSE_FILE=1234@server

Nachdem die Shell mit den Umgebungsvariablen eingerichtet wurde, einfach ise eingeben.

Für Xilinx-Programmierkabel wird noch eine eigenst kompilierte LibUSB benötigt (git clone git://git.zerfleddert.de/usb-driver). Lass die Finger davon, wenn Du es nicht brauchst. export LD_PRELOAD=/mnt/vhdl/usbcable/usb-driver/libusb-driver.so

Vivado

Vivado ist die neue FPGA Design Suite von Xilinx. Siehe extra Seite.

Altera FPGAs

Quartus Prime Lite Edition, Quartus II Web Edition software, ModelSim-Altera Starter Edition und Altera IP megafunctions benötigen keine Lizenzdatei und sind ohne Lizenz nutzbar. Viel Spaß beim Warten auf die E-Mail Verifikation, um die Software herunterzuladen.

Quartus Prime Lite Edition

Geeignet für Arria II, Cyclone IV, Cyclone V, MAX II, MAX V und MAX 10 FPGAs. Hier herunterladen und installieren.

Projektstatus

Dies ist der derzeitige Stand der Dinge im /dev/tal.

JTAG-Adapter beschaffen

FPGA beschaffen

FPGA-Modul mit Spannungsversorgung verlöten

Privat gibt es noch FPGAs bei Endres und phip.